CN103701259B - 一种井下磁耦合涡轮动力悬臂式交流发电机 - Google Patents

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一种井下磁耦合涡轮动力悬臂式交流发电机，其包括流管、压帽、导流环、导流器、支撑管、上轴承、磁动力涡轮总成、下轴承、直翼导流器、发电机外壳、定位螺钉、支撑轴承、发电机转子、发电机定子,发电机转子为悬臂式交流发电机转子，由耦合磁钢、耦合磁钢支架、转子磁钢支架、转子磁钢组成,发电机定子为悬臂式交流发电机定子，由隔磁架、定子外壳体、定子线圈、定子内壳体、定位销组成,本发电机发电效率高，可实现较大功率的发电,制造与使用成本低廉，使用寿命长。

Description

一种井下磁耦合涡轮动力悬臂式交流发电机
技术领域
本发明涉及石油工业随钻测量（MWD）技术领域，特别涉及一种井下磁耦合涡轮动力悬臂式交流发电机。
背景技术
石油工业随钻测量（MWD）技术是石油技术服务的一个主要方向，经过10多年的发展，目前在国际石油领域技术已经比较成熟，井下电源是石油工业随钻测量（MWD）技术的关键之所在，目前使用最广泛的是电池组，但是电池组容量有限，使用寿命较短，受井下温度升高的影响较大，而且价格昂贵；更换电池组需要频繁的起下钻作业，给正常的钻井进尺造成很大影响，往往电池组电量用不完也不敢再冒险下井。
频繁的起下钻作业和大量电量没用完的电池组浪费了大量的人力物力，而且由于电池材料其本身的特性需要对其运输、存储以及报废进行专门的处理这就大大增加了钻井的成本。
在井下测量工具中，传感器、电路及遥测装置功率从几瓦到700瓦。随着油气开采向深层和多水平井、分支井方向发展，井下温度升高，仪器井下工作时间延长，以及井下大功率工具的使用，井下工具的电力供应已经成为制约井下测量系统工作的关键因素。目前国外普遍以涡轮发电机为井下仪器的电源，但外国公司其核心技术对我国保密；近年来国内某些科研院所也对相关技术进行科技攻关，但是目前还没有成熟的井下发电机装备配套仪器。
目前公开的井下发电机由叶轮、驱动轴、变速器、转子、定子、发电机外壳组成。传动系统采用机械硬接合方式。泥浆流冲击叶轮旋转，驱动轴通过变速器带动转子旋转切割磁力线发电。但是传动系统为机械硬接合方式，其机械加工精度成为产品稳定性的一个关键因素,同时变速器无润滑和降温措施，在井下高温下长期高速运转又降低了其使用的稳定性和使用寿命。
美国专利US517464中公开了一种集成了钻井液脉冲发生器与涡轮发电机的井下测量工具，发电机由涡轮推进器、驱动轴、变速器、发电机、测速器组成，由于受限于井下空间和涡轮特性，结构复杂且功率较小，轴承和线圈直接工作于钻井液中，对钻井液质量、轴承性能、线圈绝缘性要求很高，在井下高温、强烈震动的恶劣环境中长期高速运转，大大降低了其使用寿命。
发明内容
为了解决上述设备的不足，本发明提供了一种井下磁耦合涡轮动力悬臂式交流发电机，该设备结构简单、形式新颖、运转可靠，功率大，结构紧凑，兼容性强，适用于石油工业随钻测量（MWD）技术领域。本发明的目的就是为现场提供一种井下磁耦合涡轮动力悬臂式交流发电机。
本发明是通过以下技术方案实现的。
一种井下磁耦合涡轮动力悬臂式交流发电机，其包括流管、压帽、导流环、导流器、支撑管、上轴承、磁动力涡轮总成、下轴承、直翼导流器、发电机外壳、定位螺钉、支撑轴承、发电机转子、发电机定子，发电机转子为悬臂式交流发电机转子，由耦合磁钢、耦合磁钢支架、转子磁钢支架、转子磁钢组成，耦合磁钢支架为一圆管，上段中部有一凸台，下段为细管,细管上部加工有螺纹,凸台两端安装支撑轴承，凸台外圆均匀开有6个长槽，槽内固定耦合磁钢，细管的外部套着转子磁钢支架且固定在细管上部的螺纹上，转子磁钢支架为一圆管，上部内孔加工有螺纹，外圆周均匀开有6个长槽，槽内固定转子磁钢，转子磁钢位于悬臂式交流发电机转子的悬臂部分，发电机定子为悬臂式交流发电机定子，由隔磁架、定子外壳体、定子线圈、定子内壳体、定位销组成,定子外壳体为一带底圆管，底部中心有孔，该孔周围有4个孔,其中有2个孔固定定位销，导线从另外2个孔引出，其上半部分有均匀分布的3个缺口，下半部分固定着定子线圈，定子线圈的外形为圆管，下端面有2个盲孔，定位销插入这2个孔内,定子内壳体的上半部分为一带底圆管，底部中心有孔，下半部分为一圆管，上半部分有均匀分布的3个缺口，下部圆管穿过定子线圈的内孔，与定子外壳体的底部中心孔固定在一起，上半部分的3个缺口与定子外壳体的3个缺口交叉在一起,隔磁架为一带底圆管，底部中心有孔，底以上有6个沿圆周均布的缺口，其中相互间隔的3个缺口延伸至下底面，定子外壳体与定子内壳体叉在一起的部分由隔磁架完全隔开，形成一个完整的敞口内孔,转子磁钢位于敞口内孔内部，导线为定子线圈的引出导线，由磁钢支架和磁钢组成动力磁场,磁钢支架的内孔上均匀开有6个轴向槽，外圆周均匀开有6个长槽，槽内固定着磁钢,由水润滑轴承、涡轮壳、动力磁场、防转销组成磁动力涡轮总成,动力磁场固定在涡轮壳内孔的中间部位,由防转销定位,2个水润滑轴承分别固定在涡轮壳两端的孔内，由台阶定位,水润滑轴承的内孔上开有轴向槽,一端端面开有径向槽。
发电机外壳为一圆管，上下两端加工有螺纹，外圆下部有一个凸台，内孔有两个凸台，上部外圆上有3个均布的螺纹盲孔，外圆下部凸台处固定着下轴承，内孔的中部凸台处通过支撑轴承支撑着悬臂式交流发电机转子，内孔的下部凸台处固定着悬臂式交流发电机定子，支撑管套在其外圆上，通过3个定位螺钉固定在其3个均布的螺纹盲孔处，直翼导流器的内孔固定在发电机外壳外圆的靠下部位，外圆固定在流管的内孔上。
流管为一圆管，上轴承固定在支撑管的外圆上，导流环、导流器固定在支撑管的外圆上，并由压帽压紧，导流环、导流器的外圆支撑在流管的内壁上,磁动力涡轮总成支撑在上轴承和下轴承的外圆上,两端由台阶定位，耦合磁钢位于磁动力涡轮总成的相同高度。
本发明具有以下优点：磁动力涡轮总成的内孔有轴向槽，两端面有径向槽，泥浆从槽中流过，带走产生的热量，同时也有良好的润滑作用，发电机外壳将磁动力涡轮总成和悬臂式交流发电机转子、悬臂式交流发电机定子隔开,且悬臂式交流发电机转子由支撑轴承支撑在发电机外壳内部，动力进行磁耦合无摩擦传送，大大降低了加工难度，提高了机械效率，悬臂式交流发电机的悬臂式转子伸入悬臂式交流发电机定子内部,之间无金属隔离，气隙很小，无能量损耗，发电效率高，可实现较大功率的发电，悬臂式交流发电机的悬臂式转子和悬臂式交流发电机定子被密封在发电机外壳内部，系统对钻井液质量、轴承性能、线圈绝缘性没有特别要求，结构简单，制造与使用成本低廉，使用寿命长。
附图说明
图1：一种井下磁耦合涡轮动力悬臂式交流发电机的结构示意图
1、流管2、压帽3、导流环4、导流器5、支撑管6、上轴承7、水润滑轴承8、涡轮壳9、磁钢支架
10、防转销11、下轴承12、直翼导流器13、发电机外壳14、定位螺钉15、支撑轴承16、磁钢17、耦合磁钢
18、耦合磁钢支架19、转子磁钢支架20、转子磁钢
21、隔磁架22、定子外壳体23、定子线圈24、定子内壳体25、定位销26导线
具体实施方式
现结合说明书附图：图1对本发明做进一步的描述。
一种井下磁耦合涡轮动力悬臂式交流发电机，包括流管1、压帽2、导流环3、导流器4、支撑管5、上轴承6、磁动力涡轮总成、下轴承11、直翼导流器12、发电机外壳13、定位螺钉14、支撑轴承15、悬臂式交流发电机转子、悬臂式交流发电机定子，
由磁钢支架9和磁钢16组成动力磁场，磁钢支架9的内孔上均匀开有6个轴向槽，外圆周均匀开有6个长槽，槽内固定着磁钢16，由水润滑轴承7、涡轮壳8、动力磁场、防转销10组成磁动力涡轮总成，动力磁场固定在涡轮壳8内孔的中间部位,由防转销10定位确保二者没有相对转动，2个水润滑轴承7分别固定在涡轮壳8两端的孔内，由台阶定位，水润滑轴承7的内孔上开有轴向槽,一端端面开有径向槽。
流管1为一圆管，上轴承6固定在支撑管5的外圆上，导流环3、导流器4固定在支撑管5的外圆上，并由压帽2压紧，导流环3、导流器4的外圆支撑在流管1的内壁上，磁动力涡轮总成支撑在上轴承6和下轴承11的外圆上，两端由台阶定位，耦合磁钢17位于磁动力涡轮总成的相同高度。
发电机外壳13为一圆管，上下两端加工有螺纹，外圆下部有一个凸台，内孔有两个凸台，上部外圆上有3个均布的螺纹盲孔，外圆下部凸台处固定着下轴承11，内孔的中部凸台处通过支撑轴承15支撑着悬臂式交流发电机转子，内孔的下部凸台处固定着悬臂式交流发电机定子，支撑管5套在其外圆上，通过3个定位螺钉14固定在其3个均布的螺纹盲孔处，直翼导流器12的内孔固定在发电机外壳13外圆的靠下部位，外圆固定在流管1的内孔上。
悬臂式交流发电机转子由耦合磁钢17、耦合磁钢支架18、转子磁钢支架19、转子磁钢20组成。耦合磁钢支架18为一圆管，上段中部有一凸台，下段为细管,细管上部加工有螺纹,凸台两端安装支撑轴承15，凸台外圆均匀开有6个长槽，槽内固定耦合磁钢17，细管的外部套着转子磁钢支架19且固定在细管上部的螺纹上，转子磁钢支架19为一圆管，上部内孔加工有螺纹，外圆周均匀开有6个长槽，槽内固定转子磁钢20，转子磁钢20位于悬臂式交流发电机转子的悬臂部分。
悬臂式交流发电机定子由隔磁架21、定子外壳体22、定子线圈23、定子内壳体24、定位销25组成,定子外壳体22为一带底圆管，底部中心有孔，该孔周围有4个孔,其中有2个孔固定定位销25，导线26从另外2个孔引出，其上半部分有均匀分布的3个缺口，下半部分固定着定子线圈23，定子线圈23的外形为圆状管，下端面有2个盲孔，定位销25插入这2个孔内,定子内壳体24的上半部分为一带底圆管，底部中心有孔，下半部分为一圆管，上半部分有均匀分布的3个缺口，下部圆管穿过定子线圈23的内孔，与定子外壳体22的底部中心孔固定在一起，上半部分的3个缺口与定子外壳体22的3个缺口交叉在一起,隔磁架21为一带底圆管，底部中心有孔，底以上有6个沿圆周均布的缺口，其中相互间隔的3个缺口延伸至下底面,定子外壳体22与定子内壳体24叉在一起的部分由隔磁架21完全隔开，形成一个完整的敞口内孔,转子磁钢20位于敞口内孔内部，一种井下磁耦合涡轮动力悬臂式交流发电机的中心从上到下有中心孔贯通。
将发电机外壳13两端分别与石油工业随钻测量（MWD）仪器的相关部件相连，然后将其与一种井下磁耦合涡轮动力悬臂式交流发电机装入钻铤，并与泥浆通道连接，井下泥浆流经由流管1、压帽2、导流环3、导流器4、支撑管5、上轴承6、发电机外壳13、磁动力涡轮总成、下轴承11、直翼导流器12组成的流体通道，冲刷支撑在上轴承6和下轴承11外圆上的磁动力涡轮总成的涡轮壳8，从而带动与其固定为一体的水润滑轴承7和磁钢支架9旋转，固定在磁钢支架9上的磁钢16也跟着一起旋转，进而通过磁场的耦合力带动位于发电机外壳13内部的耦合磁钢17旋转，又带动与耦合磁钢17固定在一起的支撑在支撑轴承15上的耦合磁钢支架18一起旋转，又带动与耦合磁钢支架18固定在一起的转子磁钢支架19旋转，固定在转子磁钢支架19上的转子磁钢20也跟着旋转，形成旋转磁场，因此固定在发电机外壳13内部的定子线圈23切割旋转磁场的磁力线，产生感应电流。在井下泥浆不停地冲刷下，磁动力涡轮总成不停地高速旋转，带动悬臂式交流发电机转子跟着高速旋转，本发电机的定子线圈23就产生不间断的电流，产生的电流为交流电，交流电经过整流滤波稳压转化为井下仪器可用的稳定电源，为井下仪器输送源源不断的电能，完成发电机的供电过程。

Claims (3)

1.一种井下磁耦合涡轮动力悬臂式交流发电机，其包括流管(1)、压帽(2)、导流环(3)、导流器(4)、支撑管(5)、上轴承(6)、磁动力涡轮总成、下轴承(11)、直翼导流器(12)、发电机外壳(13)、定位螺钉(14)、支撑轴承(15)、发电机转子、发电机定子,其特征是发电机转子为悬臂式交流发电机转子，由耦合磁钢(17)、耦合磁钢支架(18)、转子磁钢支架(19)、转子磁钢(20)组成,耦合磁钢支架(18)为一圆管，上段中部有一凸台，下段为细管,细管上部加工有螺纹,凸台两端安装支撑轴承(15)，凸台外圆均匀开有6个长槽，槽内固定耦合磁钢(17)，细管的外部套着转子磁钢支架(19)且固定在细管上部的螺纹上，转子磁钢支架(19)为一圆管，上部内孔加工有螺纹，外圆周均匀开有6个长槽，槽内固定转子磁钢(20),转子磁钢(20)位于悬臂式交流发电机转子的悬臂部分,发电机定子为悬臂式交流发电机定子，由隔磁架(21)、定子外壳体(22)、定子线圈(23)、定子内壳体(24)、定位销(25)组成,定子外壳体(22)为一带底圆管，底部中心有孔，该孔周围加工有4个孔,其中2个孔固定定位销(25)，导线（26）从另外2个孔引出，其上半部分均匀分布3个缺口，下半部分固定着定子线圈(23)，定子线圈(23)的外形为圆管，下端面有2个盲孔，定位销(25)插入这2个孔内,定子内壳体(24)的上半部分为一带底圆管，底部中心有孔，下半部分为一圆管，上半部分有均匀分布的3个缺口，下部圆管穿过定子线圈(23)的内孔，与定子外壳体(22)的底部中心孔固定在一起，上半部分的3个缺口与定子外壳体(22)的3个缺口交叉在一起,隔磁架(21)为一带底圆管，底部中心有孔，底以上有6个沿圆周均布的缺口，其中相互间隔的3个缺口延伸至下底面,定子外壳体(22)与定子内壳体(24)叉在一起的部分由隔磁架(21)完全隔开，形成一个完整的敞口内孔,转子磁钢(20)位于敞口内孔内部，导线（26）为定子线圈（23）的引出导线，由磁钢支架(9)和磁钢(16)组成动力磁场,磁钢支架(9)的内孔上均匀开有6个轴向槽，外圆周均匀开有6个长槽，槽内固定着磁钢(16),由水润滑轴承(7)、涡轮壳(8)、动力磁场、防转销(10)组成磁动力涡轮总成,动力磁场固定在涡轮壳(8)内孔的中间部位,由防转销(10)定位,2个水润滑轴承(7)分别固定在涡轮壳(8)两端的孔内，由台阶定位,水润滑轴承(7)的内孔上开有轴向槽,一端端面开有径向槽。
2.根据权利要求1所述的一种井下磁耦合涡轮动力悬臂式交流发电机，其特征是发电机外壳(13)为一圆管，上下两端加工有螺纹，外圆下部有一个凸台，内孔有两个凸台，上部外圆上有3个均布的螺纹盲孔,外圆下部凸台处固定着下轴承(11)，内孔的中部凸台处通过支撑轴承(15)支撑着悬臂式交流发电机转子，内孔的下部凸台处固定着悬臂式交流发电机定子,支撑管(5)套在其外圆上，通过3个定位螺钉(14)固定在其3个均布的螺纹盲孔处,直翼导流器(12)的内孔固定在发电机外壳(13)外圆的靠下部位，外圆固定在流管(1)的内孔上。
3.根据权利要求1所述的一种井下磁耦合涡轮动力悬臂式交流发电机，其特征是，流管(1)为一圆管,上轴承(6)固定在支撑管(5)的外圆上,导流环(3)、导流器(4)固定在支撑管(5)的外圆上，并由压帽(2)压紧,导流环(3)、导流器(4)的外圆支撑在流管(1)的内壁上,磁动力涡轮总成支撑在上轴承(6)和下轴承(11)的外圆上,两端由台阶定位，耦合磁钢(17)位于磁动力涡轮总成的相同高度。
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Denomination of invention: A downhole magnetic coupling turbine powered cantilever alternator

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Denomination of invention: A Underground Magnetic Coupling Turbine Powered Cantilever Alternator

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Denomination of invention: An underground magnetic coupling turbine power cantilever AC generator

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Pledgee: Bank of Qilu Co.,Ltd. Dongying Guangrao sub branch

Pledgor: DONGYING NERA PETROLEUM MECHANICAL MANUFACTURING CO.,LTD.

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